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(晉煤集團(tuán)煤化工研究院，山西 晉城 048006)

變換是將煤氣化工段送來(lái)的原料氣通過(guò)耐硫變換催化劑的催化作用與水蒸氣反應(yīng)，使原料氣中的CO轉(zhuǎn)化為易于清除的CO2，同時(shí)獲得了所需的H2。變換是煤化工中一個(gè)重要的生產(chǎn)工段，既能生產(chǎn)H2，又能調(diào)整下游產(chǎn)品的氫/碳比。

山西某化工廠主要生產(chǎn)氨和聯(lián)醇。其中，氣化采用常壓氣化爐，變換采用全低耐硫變換。最初變換采用添加高壓蒸汽(3.9MPa(g))工藝流程，后來(lái)為了節(jié)能擴(kuò)產(chǎn)，將變換改為噴水流程，并增加1臺(tái)預(yù)變換爐和換熱器，現(xiàn)對(duì)其改造前后的消耗進(jìn)行綜合對(duì)比。

1 改造前的生產(chǎn)工藝及能耗

1.1 工藝流程

改造前的變換工藝流程見(jiàn)圖1，變換采用全低變工藝和耐硫變換催化劑，兩個(gè)變換爐串聯(lián)運(yùn)行，均為絕熱固定床反應(yīng)器，通過(guò)調(diào)整高壓蒸汽的加入量來(lái)控制變換爐床層溫度，沒(méi)有中間激冷。其中，第一變換爐的熱點(diǎn)溫度≤400℃，第二變換爐的熱點(diǎn)溫度≤260℃。

半水煤氣進(jìn)入氣-氣換熱器，被反應(yīng)后的高溫氣體加熱，然后進(jìn)入第一蒸汽混合器，在此與過(guò)熱蒸汽混合?；旌虾螅M(jìn)入第一變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)。從第一變換爐出來(lái)的氣體先進(jìn)入中壓廢鍋副產(chǎn)中壓蒸汽，自身溫度得到降低，然后進(jìn)入氣-氣換熱器繼續(xù)降溫。氣體從氣-氣換熱器出來(lái)后，進(jìn)入第二蒸汽混合器再與蒸汽混合，然后進(jìn)入第二低變爐繼續(xù)進(jìn)行變換反應(yīng)，使CO含量進(jìn)一步降低。出第二變換爐的變換氣進(jìn)入鍋爐給水預(yù)熱器降溫后，進(jìn)入低壓廢鍋繼續(xù)降溫，低壓廢鍋副產(chǎn)的低壓蒸汽送往鍋爐除氧器。變換氣出低壓廢鍋后，依次進(jìn)入脫鹽水預(yù)熱器和循環(huán)水冷卻器，溫度降至40℃后進(jìn)入氣-液分離器，分離掉水分后變換氣送往變換氣脫硫工段。

圖1 改造前的工藝流程注：1—?dú)?氣換熱器；2—蒸汽混合器；3—第一變換爐；4—中壓廢熱鍋爐；5—第二變換爐；6—鍋爐水預(yù)熱器；7—低壓廢熱鍋爐；8—循環(huán)水冷卻器；9—?dú)?液分離器

1.2 模擬流程

在工業(yè)生產(chǎn)中，很難像在實(shí)驗(yàn)室中那樣，對(duì)各種物流量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量，同時(shí)很多能耗計(jì)算所需的物性數(shù)據(jù)也較難獲得，而模擬計(jì)算軟件可以很好地完成這一工作。為此，在此采用了ASPEN PLUS化工流程模擬軟件對(duì)改造前的變換工藝進(jìn)行了模擬計(jì)算，對(duì)改造前的能耗進(jìn)行了分析計(jì)算。

1.2.1 建立模型和計(jì)算結(jié)果

改造前的計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 改造前的計(jì)算模型注：R1—第一變換爐；R2—第二變換爐；E1—?dú)鈿鈸Q熱器；E2—中壓廢熱鍋爐；E3—鍋爐水預(yù)熱器；E4—低壓廢熱鍋爐；E5—脫鹽水預(yù)熱器；E6—循環(huán)水冷卻器；F1—?dú)庖悍蛛x器；M1～M6—物流混合器或分離器；HP1～HP2—高壓蒸汽

在模擬計(jì)算中，兩個(gè)變換反應(yīng)器均選用平推流反應(yīng)器模型，絕熱式類型。在流程模擬中，系統(tǒng)建模主要的ASPEN PLUS的模塊見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)建模用到的ASPEN PLUS的模塊

(1)模擬計(jì)算輸入值。 計(jì)算輸入值：半水煤氣流量為95 000Nm3/h，氣體組成見(jiàn)表2。高壓蒸汽溫度為435℃，壓力為4.8MPa(g)，HP1的流量為29t/h，HP2的流量為10t/h。鍋爐給水溫度為105℃，壓力為3.6MPa(g)，W1的流量為15.96t/h。

表2 氣體組成表

(2) 計(jì)算值與運(yùn)行值對(duì)比。對(duì)于變換工段，最重要的控制數(shù)據(jù)就是反應(yīng)器的熱點(diǎn)溫度和出口CO的含量。因此，僅對(duì)第一、第二變換反應(yīng)器的熱點(diǎn)溫度和出口氣體中的CO含量進(jìn)行了對(duì)比。將計(jì)算結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，其對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算值與運(yùn)行值的對(duì)比

通過(guò)計(jì)算值與運(yùn)行值的對(duì)比，可以看出該模擬流程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行值吻合良好，也說(shuō)明該工藝模型是可行的，可以用該模型對(duì)不同的操作工況進(jìn)行模擬計(jì)算，給實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)和幫助。

1.2.2 系統(tǒng)能耗計(jì)算

通過(guò)模擬計(jì)算，進(jìn)出系統(tǒng)的能量見(jiàn)表4。

經(jīng)過(guò)換熱器進(jìn)行回收的熱量見(jiàn)表5，其中列出了流程中6臺(tái)換熱器的換熱負(fù)荷。

表4 進(jìn)系統(tǒng)和出系統(tǒng)的能量

注：此表去掉了W1、W2焓值。

表5 換熱器的熱負(fù)荷

由此可以計(jì)算出改造前變換工藝系統(tǒng)的熱量回收率為37.26%。

2 改造后的生產(chǎn)工藝及能耗

由于變換工段改造前原料氣來(lái)自往復(fù)式壓縮機(jī)，氣體中含有一定的油類及其他雜質(zhì)，容易附著在氣-氣換熱器中導(dǎo)致阻力增大，影響系統(tǒng)運(yùn)行。同時(shí)，由于采用添加高壓蒸汽的流程，存在能耗高的問(wèn)題。由于原料氣產(chǎn)量增加，現(xiàn)有的變換工藝已不能滿足生產(chǎn)要求，因此需要對(duì)變換工藝進(jìn)行改造。

2.1 工藝流程

本次改造除了增加1臺(tái)氣-氣換熱器與原來(lái)的氣-氣換熱器并聯(lián)運(yùn)行外，還增加了1臺(tái)預(yù)變換爐和1臺(tái)熱交換器作為主換熱器。在去掉低壓廢鍋的同時(shí)，還在預(yù)變換爐出口增加了1臺(tái)增濕器，來(lái)對(duì)出口氣體進(jìn)行增濕降溫。其中，預(yù)變換爐的熱點(diǎn)溫度≤400℃，第一變換爐的熱點(diǎn)溫度≤260℃，第二變換爐的熱點(diǎn)溫度≤260℃，改造后的變換工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 改造后的工藝流程注：1—?dú)?氣換熱器；2，3—鍋爐水預(yù)熱器；4—第二變換爐；5—主熱交換器；6—蒸汽混合器；7—中壓廢鍋；8—第一變換爐；9—預(yù)變換爐；10—脫鹽水預(yù)熱器；11—循環(huán)水冷卻器；12—脫鹽水預(yù)熱器；13—?dú)庖悍蛛x器；14—循環(huán)水冷卻器；15—?dú)庖悍蛛x器

半水煤氣來(lái)自原料氣壓縮機(jī)，溫度<40℃，先進(jìn)入預(yù)熱交與第二變換爐來(lái)的變換氣換熱，再進(jìn)入主熱交被中壓廢鍋出口變換氣加熱，與高壓蒸汽混合后進(jìn)入預(yù)變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)。預(yù)變換爐出口的變換氣，經(jīng)增濕器噴水降溫后進(jìn)入第一變換爐繼續(xù)進(jìn)行變換反應(yīng)。變換氣從第一變換爐出來(lái)后，先進(jìn)入中壓廢鍋副產(chǎn)蒸汽，然后進(jìn)主熱交與半水煤氣換熱后進(jìn)入第二變換爐，出第二變換爐后，氣體完成了全部的變換反應(yīng)。從第二變換爐出來(lái)的變換氣體分成兩股，其中一股進(jìn)入預(yù)熱交換器預(yù)熱煤氣，另一股進(jìn)鍋爐水加熱器加熱鍋爐給水。這兩股氣體混合后先進(jìn)脫鹽水加熱器回收余熱，最后進(jìn)終冷器，溫度降至<40℃后進(jìn)入脫硫工段。鍋爐給水經(jīng)鍋爐水加熱器加熱后，部分供給中壓廢鍋；另一部分進(jìn)入緩沖罐，經(jīng)鍋爐給水增壓泵提壓后去增濕器對(duì)變換氣進(jìn)行降溫增濕。

2.2 模擬流程

模擬流程見(jiàn)圖4。在模擬計(jì)算中，三個(gè)變換反應(yīng)器均選用平推流反應(yīng)器模型、絕熱式類型，系統(tǒng)建模主要的ASPEN PLUS模塊同表1。

圖4 改造前的計(jì)算模型注：R1—預(yù)變換爐；R2—第一變換爐；R3—第二變換爐；E1～E2—?dú)鈿鈸Q熱器；E3—主熱交換器；E4—中壓廢鍋；E5—鍋爐給水預(yù)熱器；E6—脫鹽水預(yù)熱器；E7—循環(huán)水冷卻器；F1—?dú)庖悍蛛x器；M1～M8—物流混合器或分離器；HP1—高壓蒸汽，W1～W3—鍋爐給水

2.2.1 模擬計(jì)算輸入值

計(jì)算輸入值：半水煤氣流量112 000Nm3/h，氣體組成同表2。高壓蒸汽溫度為435℃，壓力為4.8MPa(g)，HP1的流量為20t/h；鍋爐給水溫度為105℃，壓力為3.6MPa(g)，W1的流量為10t/h，W2的流量為15.65t/h。

2.2.2 計(jì)算值與運(yùn)行值對(duì)比

經(jīng)過(guò)計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 計(jì)算值與運(yùn)行值對(duì)比

通過(guò)計(jì)算值與運(yùn)行值的對(duì)比，可以看出該模擬流程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行值吻合良好，也說(shuō)明該工藝模型是可行的，可以用該模型對(duì)改造后的操作工況進(jìn)行模擬計(jì)算，給實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)和幫助。

2.3 系統(tǒng)改造后的能耗分析

通過(guò)模擬計(jì)算，進(jìn)出系統(tǒng)的能量見(jiàn)表7。

表7 進(jìn)系統(tǒng)和出系統(tǒng)的能量

注：此表去掉了W2、W3焓值。

其中，經(jīng)過(guò)換熱器進(jìn)行回收的熱量見(jiàn)表8。表8列出了流程中的7臺(tái)換熱器的換熱負(fù)荷，還包括增濕罐的鍋爐水蒸發(fā)降溫的能耗。

表8 系統(tǒng)回收的熱負(fù)荷表

因此，可以計(jì)算出改造后的變換工藝系統(tǒng)的熱量回收率為 38.05%。

3 系統(tǒng)改造前后分析對(duì)比

根據(jù)改造前后的模擬計(jì)算，可以從系統(tǒng)能耗、出氣量和高壓蒸汽用量這幾方面對(duì)變換工段改造的前后進(jìn)行分析對(duì)比。

(1)單從系統(tǒng)熱量回收來(lái)看，改造前系統(tǒng)的熱量回收率是37.26%，改造后系統(tǒng)的熱量回收率是38.05%，熱量回收率略有增加，變化不大，可以說(shuō)改造后基本上保證了系統(tǒng)的熱量回收率(變換工藝流程中的熱量回收多采用間接式換熱器、廢熱鍋爐等，熱量回收率較低，會(huì)大大降低回收效果)。

(2)從系統(tǒng)處理氣量來(lái)看，改造后系統(tǒng)的處理量從95 000Nm3/h增加到112 000Nm3/h，增加了17 000Nm3/h，氨產(chǎn)量增加了5.7t/h。

(3)從能耗上看，改造前變換工段消耗的高壓蒸汽是39t/h，改造后變換工段消耗的高壓蒸汽是20t/h，節(jié)約了高壓蒸汽19 t/h，噸氨耗高壓蒸汽降低了0.509t。高壓蒸汽的價(jià)格為120元/t，則噸氨運(yùn)行成本下降61元/t。

通過(guò)以上的分析，可以看出在保持能量回收率的同時(shí)，提高了處理量和產(chǎn)品產(chǎn)量，還降低了能耗和產(chǎn)品成本。因此，此次變換工段的改造是成功的。

4 結(jié)語(yǔ)

變換系統(tǒng)由原來(lái)的直接添加高壓蒸汽的流程，改造為噴水增濕流程，同時(shí)增加了1臺(tái)變換反應(yīng)器，不僅提高了氣體處理量，還降低了蒸汽消耗，使產(chǎn)品的運(yùn)行成本進(jìn)一步降低。此外，還從模擬計(jì)算中確定了改造后的變換流程熱量回收效率沒(méi)有降低，得到了保持?？梢哉f(shuō)，此次技術(shù)改造是成功的，改造經(jīng)驗(yàn)值得借鑒和推廣。